Om een ​​oppervlak te desinfecteren, kunt u het verlichten met een explosie van ultraviolet (UV) licht, dat blauwer is dan het menselijk oog kan zien. Maar om specifiek SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, te inactiveren, welke golflengten zijn het beste? En hoeveel straling is genoeg?

Om die vragen te beantwoorden, moeten wetenschappers twee belangrijke obstakels overwinnen. Ten eerste moeten ze het virus volledig scheiden van vreemde stoffen in de omgeving. Ten tweede moeten ze het virus belichten met een enkele golflengte van UV-licht per keer, met minimale veranderingen in de experimentele opstelling tussen de tests.

Een recente samenwerking tussen het National Institute of Standards and Technology (NIST) en het National Biodefense Analysis and Countermeasures Centre (NBACC), een laboratorium van het Amerikaanse Department of Homeland Security Science and Technology Directorate, overwon beide obstakels en voltooide wat misschien wel de meest grondige ooit uitgevoerde test van hoe verschillende UV- en zichtbare golflengten SARS-CoV-2 beïnvloeden.

In een nieuw artikel dat deze week is gepubliceerd in Applied Optics , beschrijven de medewerkers hun nieuwe systeem voor het projecteren van een enkele golflengte van licht tegelijk op een monster van het COVID-19-virus in een beveiligd laboratorium. Geclassificeerd als Biosafety Level 3 (BSL-3), is het laboratorium ontworpen voor het bestuderen van microben die potentieel dodelijk zijn bij inademing. Hun experiment testte tot nu toe meer golflengten van UV en zichtbaar licht dan enig ander onderzoek met het virus dat COVID-19 veroorzaakt.

Dus, wat is het kryptoniet van SARS-CoV-2? Het blijkt dat er niets bijzonders is:het virus is vatbaar voor dezelfde golflengten van UV-licht als andere virussen, zoals virussen die griep veroorzaken. De meest effectieve golflengten waren die in het "UVC"-bereik tussen 222 en 280 nanometer (nm). UVC-licht (volledig bereik van 200 tot 280 nm) is korter dan de UVB-golflengten (280 tot 315 nm) die zonnebrand veroorzaken.

Ook toonden onderzoekers aan dat de omgeving van het virus een beschermend effect op het virus kan hebben. In het onderzoek was er een kleinere UV-dosis nodig om virussen te inactiveren wanneer ze in zuiver water werden geplaatst dan wanneer ze in gesimuleerd speeksel werden geplaatst, dat zouten, eiwitten en andere stoffen bevat die in echt menselijk speeksel worden aangetroffen. Door het virus op te schorten in gesimuleerd speeksel, ontstaat een situatie die lijkt op echte scenario's met niezen en hoesten. Dit maakt de bevindingen mogelijk directer informatief dan die van eerdere onderzoeken.

"Ik denk dat een van de grote bijdragen van dit onderzoek is dat we hebben kunnen aantonen dat het soort geïdealiseerde resultaten dat we in de meeste onderzoeken zien niet altijd voorspellen wat er gebeurt als er een realistischer scenario in het spel is", zegt Michael Schuit van NBACC. "Als je materiaal hebt zoals het gesimuleerde speeksel rond het virus, kan dat de effectiviteit van UV-ontsmettingsmethoden verminderen."

Fabrikanten van UV-desinfectieapparaten en regelgevers kunnen deze resultaten gebruiken om te bepalen hoe lang oppervlakken in medische omgevingen, vliegtuigen of zelfs vloeistoffen moeten worden bestraald om inactivering van het SARS-CoV-2-virus te bereiken.

"Op dit moment is er een grote druk om UVC-desinfectie in de commerciële atmosfeer te krijgen", zegt NIST-onderzoeker Cameron Miller. "Op de lange termijn zal deze studie hopelijk leiden tot normen en andere methoden voor het meten van de UV-dosis die nodig is om SARS-CoV-2 en andere schadelijke virussen te inactiveren."

Dit project bouwde voort op eerder werk dat het NIST-team deed met een andere medewerker om micro-organismen in water te inactiveren.

Een beetje licht werpen

Afhankelijk van de golflengte beschadigt UV-licht ziekteverwekkers op verschillende manieren. Sommige golflengten kunnen het RNA of DNA van microben beschadigen, waardoor ze niet meer kunnen repliceren. Andere golflengten kunnen eiwitten afbreken en het virus zelf vernietigen.

Hoewel mensen al meer dan honderd jaar op de hoogte zijn van de desinfectiecapaciteiten van UV-licht, is er het afgelopen decennium een ​​explosie geweest in het onderzoek naar UV-desinfectie. Een reden is dat traditionele bronnen van UV-licht soms giftige stoffen zoals kwik bevatten. Onlangs heeft het gebruik van niet-toxische LED-lampen als UV-lichtbron een aantal van deze zorgen weggenomen.

Voor deze studie werkten de NIST-medewerkers samen met biologen van NBACC, wiens onderzoek de planning van biodefensie informeert over biologische bedreigingen zoals miltvuur en het ebolavirus.

"Wat NBACC kon doen, was het virus laten groeien, het concentreren en al het andere verwijderen", zei Miller. "We probeerden een duidelijke boodschap te krijgen over hoeveel licht we nodig hebben om alleen het SARS-CoV-2-virus te inactiveren."

In de studie testte het team het virus in verschillende suspensies. Naast het gebruik van de speekselnabootser, stopten wetenschappers het virus ook in water om te zien wat er gebeurde in een "pure" omgeving, zonder componenten die het konden afschermen. Ze testten hun virussuspensies zowel als vloeistoffen als als gedroogde druppeltjes op stalen oppervlakken, die iets vertegenwoordigden dat een geïnfecteerde persoon zou kunnen niezen of hoesten.

De taak van NIST was om het UV-licht van een laser op de monsters te richten. Ze waren op zoek naar de dosis die nodig was om 90% van het virus te doden.

Met deze opstelling was de samenwerking in staat om te meten hoe het virus reageerde op 16 verschillende golflengten, variërend van het zeer lage uiteinde van de UVC, 222 nm, helemaal tot in het middelste deel van het zichtbare golflengtebereik, bij 488 nm. Onderzoekers hebben de langere golflengten meegenomen omdat is aangetoond dat blauw licht desinfecterende eigenschappen heeft.

Geen makkie

Het laserlicht op de monsters krijgen in een beveiligd laboratorium was niet triviaal. Onderzoekers in een BSL-3-lab dragen scrubs en kappen met gasmaskers. Bij het verlaten van het lab moet je lang douchen voordat je weer burgerkleding aantrekt.

Apparatuur zoals de dure laser van het team zou een aanzienlijk zwaardere sterilisatieprocedure moeten ondergaan.

"Het is een soort eenrichtingsdeur," zei Miller. "Alles wat uit dat lab komt, moet ofwel worden verbrand, geautoclaveerd [met hitte gesteriliseerd] of chemisch worden gedesinfecteerd met waterstofperoxidedamp. Dus onze laser van $ 120.000 meenemen was niet de optie die we wilden gebruiken."

In plaats daarvan ontwierpen de NIST-onderzoekers een systeem waarbij de laser en een deel van de optica in een gang buiten het lab stonden. Ze leidden het licht door een 4 meter lange glasvezelkabel die door een afdichting onder een laboratoriumdeur ging. Negatieve druk zorgde ervoor dat lucht uit de gang het lab instroomde en verhinderde dat er iets terug naar buiten lekte.

De laser produceerde een enkele golflengte tegelijk en was volledig afstembaar, zodat onderzoekers elke gewenste golflengte konden produceren. Maar omdat licht onder verschillende hoeken buigt, afhankelijk van de golflengte, moesten ze een prismasysteem maken dat de hoek veranderde waaronder het licht de vezel binnenkwam, zodat het goed werd uitgelijnd. Het veranderen van de uitgangshoek omvatte het handmatig draaien van een knop die ze hadden gemaakt om de positie van een prisma aan te passen. Ze probeerden het allemaal zo eenvoudig mogelijk te maken, met een minimaal aantal bewegende delen.

"Het apparaat dat het NIST-team bedacht, stelde ons in staat om snel een zeer breed scala aan verschillende golflengten te testen, allemaal op zeer gecontroleerde en nauwkeurige golfbanden," zei Schuit. "Als we hetzelfde aantal golflengten zouden proberen te doen zonder dat systeem, zouden we moeten jongleren met een heleboel verschillende soorten apparaten, die elk golfbanden van verschillende breedtes zouden hebben geproduceerd. Ze zouden verschillende configuraties hebben vereist, en daar zou veel extra variabelen in de mix zijn geweest."

Om het licht te manipuleren waren spiegels en lenzen nodig, maar de onderzoekers ontwierpen het om zo min mogelijk te gebruiken, omdat elk ervan leidt tot een verlies aan intensiteit voor UV-licht.

Voor de materialen die het lab in moesten om het licht van de vezel op de monsters van het COVID-virus te projecteren, probeerde het team goedkope onderdelen te gebruiken. "We hebben veel dingen 3D-geprint", zegt NIST-natuurkundige Steve Grantham, een belangrijk lid van het team samen met Thomas Larason van NIST. "Dus niets was echt duur en als we het nooit meer gebruiken, is het niet erg."

Zelfs de communicatie tussen het lasergebied en de binnenkant van het lab was moeilijk omdat mensen niet naar binnen en naar buiten konden gaan zoals ze wilden, dus gebruikten ze een bekabeld intercomsysteem.

Ondanks de uitdagingen werkte het systeem verrassend goed, zei Miller, vooral omdat ze maar maanden hadden om het in elkaar te zetten. "Er zijn een paar gebieden waarop we waarschijnlijk kunnen verbeteren, maar ik denk dat onze winst minimaal zou zijn", zei Miller.

Het NIST-team is van plan dit systeem te gebruiken voor toekomstige studies van andere virussen en micro-organismen die biologen in zwaarbeveiligde laboratoria zouden willen uitvoeren.

"Als het volgende virus langskomt, of in welke ziekteverwekker ze ook geïnteresseerd zijn, hoeven we het lasersysteem alleen maar naar boven te rollen, een vezel daaronder te duwen, en ze zullen het aansluiten op hun projectorsysteem", zei Miller. . "Dus nu zijn we klaar voor de volgende keer." + Verder verkennen

Nieuwe studie bewijst juiste dosering voor ultraviolette desinfectie tegen COVID